CN219843611U - 一种水下组网通信系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种水下组网通信系统，包括一个主节点子系统、若干个次节点子系统、浮标子系统和光缆；每个次节点子通过通信海缆连接若干个水下传感器和主节点子系统；主节点子系统通过光缆连接浮标子系统；浮标子系统通过卫星通信模块连接岸基主站，且每个子系统均设置有独立供电模块。该方案通过水下次节点采集目标海域水下环境观测信息，利用通信海缆在水下主节点汇聚，继而通过浮标搭载的卫星通信设备，实时回传至岸基主站。各模块均采用独立电池供电，不依赖岸基供电，能过独立部署在深远海，可大大提升水下组网通信系统的灵活性和续航能力。

Description

一种水下组网通信系统

技术领域

本实用新型涉及海洋观测技术领域，尤其涉及的是一种水下组网通信系统。

背景技术

海洋观测技术对海洋环境安全、海洋资源开发与环境保护具有重要意义。为了实现海底广域监测与定位，往往需要组网观测技术，目前组网观测技术主要采用有线通信组网方式，如海底有缆观测网。

海底有缆观测网通过海底光电缆实现海底观测仪器与陆地监控中心的连接，采用高压电能传输与转换实现水下设备供电，通过光纤实现水下大范围、高宽带信息传输，通常采用成本很高的湿插拔技术连接水下观测设备与海底观测网接驳点。海底有缆观测网虽然能够提供不间断电力支撑和信息感知、传输通道，以获取不同时间和空间尺度、不同领域的海洋观测数据，从而实现从海底到海面的全天候、原位、长期、连续、实时、高分辨率和高精度观测。

现有的海底有缆观测网需要依赖岸基供电与通信，不方便布设在深远海。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种水下组网通信系统，旨在解决现有技术中水下通信组网方式存在的因依赖岸基供电与通信而导致系统难以在深远海布设的问题。

本实用新型的技术方案如下：

一种水下组网通信系统，包括一个主节点子系统、若干个次节点子系统、浮标子系统和通信线缆；

所述主节点子系统和所述次节点子系统上均设有供电模块和通信模块；所述次节点子系统和水下终端采集设备通信连接；

所述主节点子系统与所述次节点子系统之间、所述主节点子系统与所述浮标子系统之间设有通信线缆；

所述浮标子系统包括有太阳能供电储能系统、浮标架和用于连接岸基主站的卫星通信模块。

如上所述的水下组网通信系统，其中，所述浮标架上搭载太阳能供电储能系统、卫星通信模块和太阳能充放电控制器，并和主节点子系统通信连接。

如上所述的水下组网通信系统，其中，所述主节点子系统和所述次节点子系统上均设置有干插拔水密连接器，所述干插拔水密连接器设置在供电模块和通信模块之间的接口连接处。

如上所述的水下组网通信系统，还包括有湿插拔水密连接器，所述湿插拔水密连接器设置在所述主节点子系统或所述次节点子系统与通信线缆的接口连接处。

如上所述的水下组网通信系统，其中，所述通信线缆包括有通信海缆、动态通信缆，所述通信海缆设置在所述主节点子系统和所述次节点子系统之间；所述动态通信缆设置在所述主节点子系统和所述浮标子系统之间。

如上所述的水下组网通信系统，其中，所述太阳能供电储能系统包括有太阳能电池板、蓄电池组和太阳能充放电控制器，所述太阳能充放电控制器分别和太阳能电池板、蓄电池组电连接。

如上所述的水下组网通信系统，其中，所述次节点子系统包括有中继型次节点和边缘型次节点，所述中继型次节点采用光交换机，所述边缘型次节点采用光纤收发器。

如上所述的水下组网通信系统，其中，所述主节点子系统和所述次节点子系统还包括有水密耐压舱，所述水密耐压舱内部设置有通信模块和供电模块。

如上所述的水下组网通信系统，还包括有系统回收单元，所述系统回收单元通过通信线缆连接主节点子系统、次节点子系统和/或浮标子系统；所述系统回收单元包括有声学释放器、零浮力缆及若干个浮球，且声学释放器通过释放机构和浮球相连，各个浮球均设置在零浮力缆上。

如上所述的水下组网通信系统，还包括有多绞车同步释放装置，用于搭载系统回收单元。

与现有技术相比，本方案的有益效果如下：

一种水下组网通信系统，本实用新型利用水下次节点将通过水下终端设备采集到的目标海域水下环境观测信息汇聚至水下主节点，继而通过浮标搭载的卫星通信设备，实时回传至岸上数据接收处理中心。其中，水下节点采用独立的供电模块供电，能够独立部署在深远海，不需要依赖岸基供电，能够显著提升水下通信组网系统的灵活性和续航能力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型的水下多节点快速布放组网通信系统的简要示意图；

图2为本实用新型的水下多节点快速布放组网通信系统的信号流图；

图3为本实用新型的水下多节点快速布放组网通信系统的组成模块示意图；

图4为本实用新型的水下多节点快速布放组网通信系统模拟示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种水下组网通信系统，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型的主要构思，如图1所示，节点系统获取位于水下终端采集设备(例如水声通信机、ADCP、CTD、水听器、水下UPS、水下传感器等)采集到的目标海域水下环境观测信息，然后利用通信海缆将获取的信息汇聚到主节点，继而通过浮标搭载的卫星通信设备，实时回传至岸上数据接收处理中心。

该系统各个子系统之间的连接关系及信号流图，如图2所示，该系统主要包括一个主节点子系统、若干个次节点子系统、浮标子系统、水声通信机、通信线缆和湿插拔水密连接器。其中，次节点子系统和主节点子系统中均包括通信模块、干插拔水密连接器和供电单元等，且通信模块即通信舱，主要包括数据采集模块、数据存储模块和通信模块。水声通信机利用10芯水密电连接缆连接分别设置在水声通信机和主/次节点子系统上的10芯水密电接口，并且在各个10芯水密电接口处利用干插拔水密连接器进行密封连接，实现水声通信机和主/次节点子系统的紧密、安全连接。主/次节点子系统通过I/O接口将获取的信号传输至数据采集模块和数据存储模块，数据采集模块通过网口和通信模块通信连接。

各个次节点子系统中的光纤交换机均利用通信海缆通过2芯水密光接口分别和主节点子系统中的光纤交换机通信连接，实现次节点子系统将采集到的信号向主节点子系统传输，并且在各个2芯水密光接口处利用湿插拔水密连接器进行密封连接，以提高主节点子系统和次节点子系统之间的通信连接的可靠性和安全性。

浮标子系统主要包括数据处理单元、太阳能供电储能系统、卫星通信单元和通信模块等。浮标子系统中的通信模块利用动态通信缆通过2芯水密光接口与主节点子系统中的通信模块通信连接，且在各个2芯水密光接口处利用湿插拔水密连接器进行密封连接。通信模块通过网口分别与数据处理单元和卫星通信终端通信连接。浮标子系统中的卫星通信终端通过卫星主站利用Internet将数据回传至岸基主站。其中，岸基主站是岸上数据接收处理中心，主要通过本站的服务器利用Internet网络和卫星主站相连，实现数据传输。

本实施例中浮标子系统中的通信模块采用光纤收发器，作为其他优选实施方式，可以根据工程实际选用光纤交换机。

主节点子系统和次节点子系统主要包括有通信舱、供电单元和干插拔水密连接器。其中，通信舱包括数据采集模块、数据存储模块和通信模块，通信模块采用光通信的方式，主要分为两类，一种是用于点对点通信的光纤收发器，另一种是用于多节点间的光交换机。次节点子系统和主节点子系统都能够通过水密连接缆或水声通信的方式获取位于水下的终端设备，并能够通过数据采集模块和数据存储模块分别实现数据采集和存储功能，通过光纤交换机实现将电信号转换为光信号的功能，能够提高光电信号的转换效率。

次节点子系统与主节点子系统的各个模块的构成类似，主要区别在于通信模块。主节点采用光交换机，例如六光交换机。次节点子系统根据次节点的实际扩展数量，分为中继型次节点子系统和边缘型次节点子系统，并对于不同的节点选择四光交换机、六光交换机或光纤收发器。

本实施例中继型次节点子系统和边缘型次节点子系统均采用光纤交换机，作为其他优选实施方式，可以根据工程实际，将中继型次节点采用光交换机，例如四光交换机，将边缘型次节点采用光纤收发器。

供电单元通过I/O接口为数据采集模块和数据存储模块等耗能模块供电。通过合理设计各水下仪器的工作节律，统计所有用电设备的每日功耗，计算出设定时间段内(例如30天)的总功耗，并以此设计供电模块的电池总电能。由于三元锂电池的电压高、体积容量密度最高，和其他现有的电池相比，相同体积下容量最大，因此本实施例的供电单元选用三元锂电池。

干插拔水密连接器设置在各个10芯水密电接口处，实现对各个水密电接口进行密封连接，提高主/次节点子系统的安全性和通信可靠性。

浮标子系统除了设置有数据处理单元、太阳能供电储能系统、卫星通信单元和通信模块，还设置有浮标架和显示屏等。其中，太阳能供电储能系统为浮标子系统的长期连续工作提供稳定的电源供应，采用太阳能电池板和铅酸密闭式免维护蓄电池组合供电方案。系统主要由太阳能电池板、蓄电池组、太阳能充放电控制器和电源开关等组成，太阳能充放电控制器分别和太阳能电池板、蓄电池组有缆连接。系统在有光照的情况下利用太阳能为浮标子系统供电，在无光照情况下可依靠蓄电池储存的能源为浮标子系统连续运行。并且，太阳能电池板选用高效率单晶硅太阳能电池板，太阳能电池板采用3.2mm玻璃+EVA+电池片+EVA+背板+边框结构形式，电池板最大输出电压18.8V，最大输出功率150W。太阳能电池板连接采用分线控制，每路太阳能电池板输出线汇总到汇流盒内，中间加装防浪涌保护器，当雷击或太阳能电池板损坏后，防止短路造成供电失效。

蓄电池每组电池组加开关二极管防止相互充放电，增加电池间的保护和短路隔离。蓄电池串并联时每块蓄电池的电压差小，并采用相同粗细长度的线缆进行连接，具有蓄电池过压、过流保护功能，电池组之间电路相互隔离，安全可靠。

太阳能充放电控制器选用MPPT太阳能控制器，实现对太阳能电池板发电功率的实时侦测并追踪太阳能最大输出功率，使太阳能电池板以最大输出功率对蓄电池充电，提高对太阳能存储的效率。MPPT太阳能控制器可以协调太阳能电池板、蓄电池和负载工作，是光伏系统的核心控制部件。

数据处理单元用于对接收到的信号进行滤波、预加重、分帧加窗、端点监测等预处理，实现对接收到的信号进行滤波和增强处理，提高有效信号的传输效率。

浮标架上搭载太阳能供电储能系统、卫星通信模块和太阳能充放电控制器，并和主节点子系统有缆连接。

浮标子系统是上下分离式结构，主要由浮体、支撑架和底座三部分构成，为被搭载的各个模块提供足够的浮力。其中，浮体是整个系统与海水接触的部分，受到海水物理和化学两方面的作用，影响着系统的稳定性和可靠性；支撑架用于安装太阳能供电储能系统；底座用于连接锚链，保证系统的牢固安全。

显示屏搭载在架浮标上，并和太阳能充放电控制器有缆连接。用于显示系统运行状态、运行参数、历史参数、控制参数等信息。

本实施例采用标准Modbus通信协议实现数据通信，以便于扩展查看和修改系统的各项参数。

水声通信机将水下终端采集设备采集到的目标海域水下环境观测信息经过声音信号与电信号之间的转换处理，使得采集到的电信号以声音信号的形式在海域实现远距离传输。

通信线缆，即光缆子系统，包括海底通信光缆和动态通信缆。

海底通信光缆用于各级节点之间的光通信连接，根据水深选择型号，适用于无继系统、大容量、光传输系统，具有抗干扰能力强、保密性能好、使用寿命长等优点。

动态通信缆用于浮标子系统与主节点子系统的连接，是浮标基海洋观测系统能长期、稳定运行的关键要素之一。考虑到动态缆工作中，光纤是最为薄弱的环节，动态缆缆芯的基于光通讯链路+电通讯链路备份的思路设计，为系统提供冗余备份的电力线通信链路，在光纤通讯失效的情况下，可以采用电力线通信，提高动态缆通信链路的可靠性。

动态通信缆包括动态缆和连接保护组件。其中，动态缆采用尼龙材料制作的微重力缆，在设计中选用中心芯线层/外部承拉层的结构，选用高强度纤维作为承重材料，设计新型的四层纤维铠装的光缆，具有足够的破断强度；内护套采用聚氨酯材质，可以根据实际应用需求在动态缆末端直接制作水密接插件用于系统的连接，外部套则采用高密度聚乙烯护套，具备良好的防磨、防腐蚀等功能。本实施例中的动态缆芯内部由2芯电力线和2根光纤单元通过层绞的方式组成，每根光纤单元包括2芯光纤，共计4芯光纤，并采用S型缆浮力保持块对动态缆起到重力支撑的作用。

连接保护组件主要包括水密光连接器、万向节、弯曲加强件、外护套、承重头、密封腔体、端盖等，用于动态缆与主/次节点、浮标之间的连接保护。浮标子系统漂浮在海面，在装置活动的时候带动动态缆一起转动的同时装置自身会旋转；缆与主/次节点、浮标的连接保护组件满足光信号的传输需求。

在缆与装置的连接保护组件中，水密光连接器将装置预留光接口与光缆上端连接；万向节采用316L材质或其它优质防腐蚀材料，具有良好的抗腐蚀性能及机械性能。该结构可实现两个方向上在有限角度内的弯曲，防止缆与内壁摩擦破损，起到保护海缆的作用。万向节连接件的一端通过硫化连接到缆，另一端通过螺栓连接到浮标或海底观测节点，可提供固定支撑。考虑到现场工况不确定，后期可考虑增加金属万向节，加强对海缆过弯的保护；弯曲加强件采用聚氨酯材料或橡胶材质，用来增加海缆的弯曲刚度，减小动态洋流作用，避免疲劳受损，保护缆从刚性至柔性过渡；外护套密封采用硫化密封结构，起到外护套阻水的作用，防止海水进入承重头中影响承重头拉力性能；承重头采用316L材质或其它优质防腐蚀材料，具有良好的抗腐蚀性能及机械性能，用于通过夹持铠装钢丝固定海缆，内部采用灌胶形式固定海缆，两侧采用硫化密封及机械密封的方式，防止海水渗入承力单元，提升系统使用寿命；密封腔体主体采用316L材质或其它优质防腐蚀材料，具有良好的抗腐蚀性能及机械性能。密封腔体与承重头主体之间采用机械密封方式，结构可靠；端盖可以根据要求安装接插件。

该系统的组成单元示意图，如图3所示，该系统除了包括有主节点子系统、次节点子系统、浮标子系统、水声通信机、通信线缆和湿插拔水密连接器，还设置有水密耐压舱和系统回收单元。

各个主/次节点子系统均设置有水密耐压舱，其内部设置有数据处理模块、通信模块和供电模块，用于保护这些模块不受海水的侵蚀和外界环境的影响；

系统回收单元通过通信海缆连接主节点子系统和/或次节点子系统。系统回收单元由声学释放器、零浮力缆及浮球组成。回收时，释放器将浮球释放，浮球带动零浮力缆上浮至水面，实现对浮标、通信海缆、水下节点和动态缆等水下部分的回收。

进一步地，作为其他优化实施方式，可以优化网络拓扑设计，减少单节点光缆连接数量，设计多绞车同步释放装置，用于搭载系统回收单元，通过合理设计布放回收顺序与流程，在多个绞车、多艘船的相互配合下，完成枢纽节点在干插拔前提下的布放、回收任务。

综上可知，本实用新型提供的一种水下组网通信系统，通过水下次节点采集到的目标海域水下环境观测信息，利用通信海缆在水下主节点汇聚，继而通过浮标搭载的卫星通信设备，实时回传至岸上数据接收处理中心。其中，水下节点采用独立电池供电，不依赖岸基供电，通过耐压及水密性优化以适应深海环境，独立部署在深远海；同时，系统在布放前完成连接，布放、回收均采用单条船，不涉及成本高、操作复杂的湿插拔技术，适用于机动、短期实时观测；此外，整个系统仅有一个小浮标露在水面，使得水下通信网络的路由及位置更加隐蔽，安全性更高。总之，本实施例的水下多节点快速布放组网通信系统，可大大提升海底组网通信系统的灵活性、隐蔽性及安全性。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种水下组网通信系统，其特征在于，包括一个主节点子系统、若干个次节点子系统、浮标子系统和通信线缆；

所述主节点子系统和所述次节点子系统上均设有供电模块和通信模块；所述次节点子系统和水下终端采集设备通信连接；

所述主节点子系统与所述次节点子系统之间、所述主节点子系统与所述浮标子系统之间设有通信线缆；

所述浮标子系统包括有太阳能供电储能系统、浮标架和用于连接岸基主站的卫星通信模块。

2.根据权利要求1所述的水下组网通信系统，其特征在于，所述浮标架上搭载太阳能供电储能系统、卫星通信模块和太阳能充放电控制器，并和主节点子系统通信连接。

3.根据权利要求1所述的水下组网通信系统，其特征在于，所述主节点子系统和所述次节点子系统上均设置有干插拔水密连接器，所述干插拔水密连接器设置在供电模块和通信模块之间的接口连接处。

4.根据权利要求3所述的水下组网通信系统，其特征在于，还包括有湿插拔水密连接器，所述湿插拔水密连接器设置在所述主节点子系统或所述次节点子系统与通信线缆的接口连接处。

5.根据权利要求1所述的水下组网通信系统，其特征在于，所述通信线缆包括有通信海缆、动态通信缆，所述通信海缆设置在所述主节点子系统和所述次节点子系统之间；所述动态通信缆设置在所述主节点子系统和所述浮标子系统之间。

6.根据权利要求1所述的水下组网通信系统，其特征在于，所述太阳能供电储能系统包括有太阳能电池板、蓄电池组和太阳能充放电控制器，所述太阳能充放电控制器分别和太阳能电池板、蓄电池组电连接。

7.根据权利要求1-6任一项所述的水下组网通信系统，其特征在于，所述次节点子系统包括有中继型次节点和边缘型次节点，所述中继型次节点采用光交换机，所述边缘型次节点采用光纤收发器。

8.根据权利要求7所述的水下组网通信系统，其特征在于，所述主节点子系统和所述次节点子系统还包括有水密耐压舱，所述水密耐压舱内部设置有通信模块和供电模块。

9.根据权利要求7所述的水下组网通信系统，其特征在于，还包括有系统回收单元，所述系统回收单元通过通信线缆连接主节点子系统、次节点子系统和/或浮标子系统；所述系统回收单元包括有声学释放器、零浮力缆及若干个浮球，且声学释放器通过释放机构和浮球相连，各个浮球均设置在零浮力缆上。

10.根据权利要求9所述的水下组网通信系统，其特征在于，还包括有多绞车同步释放装置，用于搭载系统回收单元。